Раскрашивание вне линий | Новости Массачусетского технологического института

Для Матиаса Колле крылья бабочки — окно в лучший материальный мир. Переливчатость насекомых является результатом «структурного цвета», а не пигментов или красителей: одно крыло покрыто сотнями тысяч микроскопических чешуек, которые действуют как крошечные отражатели, отражая свет под разными углами и с разных глубин, чтобы придать бабочкам их фирменный цвет. и мерцание.

Колле, адъюнкт-профессор машиностроения в Массачусетском технологическом институте, изучает микроструктуру крыльев бабочек и других интересных с оптической точки зрения организмов в поисках способов воспроизвести и даже улучшить их структурные светоизгибающие эффекты. Он и его ученики разрабатывают материалы, вдохновленные природой, которые обладают передовыми оптическими функциями, включая изменение цвета. листы и волокна, которые могут быть интегрированы в повязки для контроля давления или привязан к узлы для испытания на прочность, а также жидкость капли которые усиливают радугу.

Подобно тому, как бабочки отражают весь спектр цветов без каких-либо присущих им пигментов или красителей, Колле представляет такие материалы, как ткани, волокна и жидкости, которые можно создавать для создания цветов без использования химических веществ.

«Если все сделано правильно, материалы могут быть окрашены только по своей структуре, без добавления химического пигмента или красителя. На самом деле, эти цвета намного ярче, чем то, что можно получить с помощью одних только пигментов», — говорит Колле, который недавно получил должность. «Очень интересно взглянуть на множество потрясающих примеров структурного цвета в природе и задаться вопросом, как мы можем использовать знания о том, как природа играет со светом, чтобы придать функциональность материалам по-новому».

Увидев свет

Колле родился и вырос в Гере, городе в бывшей Восточной Германии, где его родители работали химиками. В 1989 году, вскоре после падения Берлинской стены, он помнит, как впервые попал в Западную Германию.

«Мне было 7 лет; родители посадили нас с братом в машину, и мы поехали через границу», — вспоминает Колле. «Глядя на витрину магазина игрушек, я поразился тому, что у детей по другую сторону стены есть такие вещи, как Микки Маус и машинки из спичечных коробков».

Он вернулся из этой поездки с сувениром: простым набором для выращивания кристаллов, который пробудил интерес к химии и науке. Позже учитель средней школы Гуннар Пицко пробудил в Колле интерес к физике, продемонстрировав призмы и связанные маятники. После выпуска Колле решил изучать физику в близлежащем Саарском университете, который он выбрал из-за возможности пересечь другие границы. В университете была программа по физике, по которой студенты могли делить свое время между Сааром и Университетом Лотарингии во Франции, и только в этом году была добавлена ​​​​дополнительная возможность также учиться в Люксембурге, местах, которые Колле стремился исследовать.

В течение пятилетней программы он и несколько других студентов вместе учились и путешествовали между тремя университетами.

«Мы были тесным сообществом людей, которые вместе переезжали из страны в страну, — говорит Колле. «Каждый год нам приходилось начинать с нуля и искать свой путь в другом месте, которое мы не знали. Я думаю, что это был огромный опыт обучения».

Во время учебы Колле также проходил стажировку в Нидерландах у профессора Улли Штайнера, который позволил ему поиграть с цветом в материалах.

«Улли дал мне огромную творческую свободу. Я был в его лаборатории, смешивал полимеры и создавал оптически интересные материалы, и мне это нравилось», — говорит Колле. «Это был мой первый опыт манипулирования светом с помощью структуры и изучения науки, которая была захватывающей и открытой».

Штайнер перешел в Кембриджский университет, и Колле, желавшему присоединиться к его лаборатории, предложили написать предложение о поддержке докторского проекта посредством стипендии Германской службы академических обменов. Часть работы Штайнера была сосредоточена на использовании полимеров для создания структурного цвета, поэтому Колле ознакомился с этой темой при составлении своего предложения.

«Я много читал о наноструктурах, которые создают цвета без пигментов, и о животных, которые потрясающе успешно используют этот трюк», — говорит Колле. — Это меня зацепило.

Когда его предложение было принято, он переехал в Кембридж, чтобы начать свою докторскую работу по физике, сосредоточившись на структурном цвете. В рамках своей диссертации Колле начал исследовать оптические эффекты, создаваемые чешуей на поверхности крыльев бабочки. Он задался вопросом: можно ли сделать синтетический материал, имитирующий мерцание структуры бабочки?

К концу своей докторской диссертации Колле смог тщательно спроектировать небольшую вогнутую многослойную структуру, похожую на микроскопическую архитектуру бабочки. Он обнаружил, что некоторые образцы меняют цвет с синего на зеленый, как крылья насекомого. Другие образцы, к его удивлению, переключились с красного на синий — гораздо более широкий скачок в спектре видимого света, которого Колле не ожидал. После некоторого анализа он понял, что эти образцы содержали дополнительный, непреднамеренный слой материала, который, как оказалось, усиливал общий оптический эффект структуры.

«Мы показали, что есть способы сделать эти структуры бабочки из синтетических материалов и — по какой-то счастливой случайности — что вы можете улучшить их, чтобы делать то, что организм не может сделать», — говорит Колле. «Это все еще философия, которой я придерживаюсь и сегодня».

призма идей

После защиты докторской диссертации Колле пересек океан и перебрался в другой Кембридж, где благодаря стипендии Фонда Гумбольдта работал постдоком в Гарвардском университете в лаборатории Джоанны Айзенберг, стоявшей в авангарде разработки передовых функциональных материалов, вдохновленных структурами и принципами в природе. После трех лет работы в своей группе Колле подала заявку на вакансию, которая случайно открылась на факультете машиностроения Массачусетского технологического института.

«MIT показался мне интересным, — говорит Колле. «Энергичный подход Массачусетского технологического института к тому, чтобы все происходило, вдохновлял».

В 2013 году он был принят в качестве младшего преподавателя, и с тех пор он создал лабораторную группу и исследовательскую программу, которая отражает широкий спектр направлений.

Он и его ученики изучали микроскопические структуры, вызывающие оптические эффекты у различных видов бабочек и моллюсков — в этом проекте участвовал его брат, морской биолог. Используя принципы, которые они наблюдают в природе, они разработали новые материалы, такие как фотонные листы и волокна, которые меняют цвет при деформации. Они показали, что эти цветодинамические материалы можно интегрировать в бинты и использовать в качестве датчиков визуального давления для оптимизации компрессии, применяемой к заживающим конечностям пациентов.

Команда также исследовала оптику отдельных капель и то, как одна капля может действовать как крошечный микроскоп, чтобы увеличивать очень маленькие детали или создавать потрясающие цвета. И вместе с коллегами из Англии и Австрии они пытаются расшифровать взаимодействие между генетикой и биомеханикой, лежащее в основе способности бабочек образовывать красочные наноструктуры на своей чешуе.

Группа Колле также немного развлекается с оптикой. Во время недавнего визита в его лабораторию студенты проверяли заманчивую идею: можно ли сделать съедобные структурно окрашенные капельки, которые можно распылять в коктейлях или на пирожные для создания привлекательных оптических эффектов и визуально улучшать кулинарный опыт? По словам Колле, поддержка этой и других идей стала ключом к успеху его группы.

«Большинство полусырых идей, которые я придумал в Массачусетском технологическом институте, стали жизнеспособными только потому, что мои студенты взяли их и придумали, как сделать из них отличные», — говорит Колле. «Они увидели то, что было возможно, и довели эти идеи до таких высот, о которых я и мечтать не мог».